[发明专利]一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪

说明书

技术领域：

本发明涉及电子信息技术，具体涉及太阳能系统中太阳光谱辐射测量领域。

背景技术：

任何物质都会发射或者反射出光谱，光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是已过用光学原理，对物质的结构和成分进行分析，测量和处理的基本设备。自从1859年Kirchhoff和Bunsen制成世界上第一台结构完整的光谱仪器以来，光谱仪器本身及其应用也发展到相当完善的程度。但是它的发展并不是没有间断的。

在20世纪60年代左右，从真空紫外到远红外都已建立了完整的光谱定性、定量分析方法及整套光谱线谱、图谱，并发展了与之相适应的各波段光谱仪器，光谱技术和光谱仪器的发展似乎已经停滞，在原理、设计、应用方面似乎已经满足了当时科技、产业的需求。随着加世纪下半叶航空航天、遥感遥测、生物医学等等领域突破性的发展，计算机技术的成熟及普及，激光、光纤、固态探测器等技术的出现和发展，不但对光谱分析、光谱检测提出了更高分辨率、更高灵敏度等要求，而且为新型光谱仪器的发展提供了原理上、工艺上的有利条件。因此在20世纪后期光谱技术和光谱仪器获得了突破性进展，基于光散射原理的激光散射光谱仪、基于干涉调频调幅的傅立叶变换光谱仪、基于非线性光学原理的各种激光光谱仪等等，都是60年代以来突破传统光谱仪原理和结构得到迅速发展的广泛应用的新颖光谱仪，已成为现代天文、化学、物理各研究领域和生产领域的有力工具。

在光谱仪核心元件分光器件的发展历程中，经历了色散棱镜到衍射光栅到采用干涉调制元件和信息变换技术的演化。近年来声光调谐器件AOTF的技术和应用也有了很大发展，没有机械活动件、全固态、电子调谐、结构小而牢固、可承受震动冲击等一系列优点，使其具有明显的技术和应用竞争力。

在光谱辐射测量仪的发展历程中，从传统的肉眼、感光板、光电池到光电倍增管、热电偶、热释电器件，已发展到全固态的光电、热电探测器，如电荷耦合器件、光电二极管阵列(PDA)等等，不但提高了探测效率，而且可实现全光谱快速扫描。

电荷耦合器件民用历史不长，直到上世纪九十年代，电荷耦合器件技术才从航天走向民用。由于电荷耦合器件器件的结构特点，能同时探测空间中分布的多点信号，如一幅图像(面光源)，一排光信号，被称为同时型或并行接收型探测器件。电荷耦合器件是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的新型器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、灵敏度高、响应速度快、体积小、功耗低、寿命长及可靠性高等一系列优点。电荷耦合器件现在已广泛应用于生活中，如数码相机等，也正因为这些优点使其成为现代光谱仪器中探测器的最佳选择。有了电荷耦合器件，加上计算机技术的发展，使光谱仪器测量有更快的速度和更高的灵敏度，实现多通道同时采集和计算机的实时处理，能够非常简便快捷地完成光谱测量任务。

通常用于光谱测量的光谱仪器大多为单通道扫描式，体积大，造价昂贵，虽然精度高，但是速度非常慢。在实时性和便携性要求比较高的情况下，这种传统的仪器显得不适合。随着计算机技术和现代光学仪器技术的快速发展和融合，本发明提出的一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪，具有体积小，成本低，速度快等特点，而且具有极强的便携性；如果精度等要求可以达到实验室内使用仪器的性能，则它的应用前景和商业前景巨大；采用USB接口与计算机进行通信，保证了高速度数据传输，具有即插即用，总线供电等优势；采用线阵电荷耦合器件作为探测器件，可以实现多通道快速测量。

发明内容：

本发明提出一种基于电荷耦合器件的太阳能光谱辐射测量仪，主要包括：包括三个大部分：光学部分；数据采集部分；数据处理部分，如附图1所示，其中光源、光路系统和多色仪构成光学部分；线阵电荷耦合器件及其驱动电路和A/D转换是数据采集部分；单片机系统及其外围设备构成数据处理部分。如附图2所示，其特征在于：太阳入射光经过余弦校正器、滤色片、光阑、透镜后，在多色仪入射狭缝上得到太阳光的象，然后经过光栅分光后投射在电荷耦合器件阵列上，通过电荷耦合器件阵列实现光电转换，并由A/D变换输出数字量，交由单片机系统处理，再由计算机显示光谱图和计算结果。

太阳光入射光路中首先设置一个的余弦校正器，形成二次光源，避免入射辐射方向的变化引起电荷耦合器件对应波长位置的变化。加在余弦校正器后的滤色片是为了消除紫外的二级光谱对可见光测量值的影响。